หลังจากการโจมตีสหภาพโซเวียต ของเยอรมนี ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2484 ลิตวิยัคพยายามเข้าร่วมหน่วยบินทหาร แต่ถูกปฏิเสธเนื่องจากขาดประสบการณ์ หลังจากจงใจเพิ่มเวลาบินก่อนสงครามของเธอเป็น 100 ชั่วโมง เธอจึงเข้าร่วมกองบินขับไล่หญิงล้วนที่ 586ของกองกำลังป้องกันภัยทางอากาศ^{[ 12 ]}ซึ่งก่อตั้งโดยมารินา ราสโควาเธอได้รับการฝึกฝนที่นั่นด้วยเครื่องบินYakovlev Yak-1

ลิตวิยัคทำการบินรบครั้งแรกในฤดูร้อนปี 1942 เหนือเมืองซาราตอฟในเดือนกันยายน เธอได้รับมอบหมายให้ประจำการในกรมการบินขับไล่ที่ 437 ซึ่งเป็นกรมทหารชายที่ต่อสู้เหนือเมืองสตาลินกราดในวันที่ 10 กันยายน เธอได้ย้ายไปพร้อมกับเยคาเทรินา บูดาโนวา , มาริยา คุซเนตโซวาและไรซา เบลยาเอวาผู้บัญชาการกลุ่ม และเจ้าหน้าที่ภาคพื้นดินหญิงที่ติดตามไปด้วย ไปยังสนามบินของกรมที่เวอร์คนายา อัคตูบา บนฝั่งตะวันออกของ แม่น้ำ โวลกาแต่เมื่อพวกเขามาถึง ฐานทัพกลับว่างเปล่าและถูกโจมตี ดังนั้นพวกเขาจึงย้ายไปที่สเรดนายา อัคตูบา ในไม่ช้า^{[ 13 ]}ที่นี่ เธอได้บินเครื่องบิน Yak-1 ^{[ 14 ]}ที่มีหมายเลข "32" บนลำตัวเครื่องบิน และประสบความสำเร็จอย่างมาก^{[ 15 ]}บอริส เยเรมิน (ต่อมาเป็นพลโทฝ่ายการบิน) ผู้บัญชาการกรมในกองพลที่เธอและบูดาโนวาประจำการอยู่ มองว่าเธอเป็น "คนที่มีความก้าวร้าวมาก" และ "นักบินรบโดยกำเนิด" ^{[ 16 ]}

ในกรมการบินขับไล่ที่ 437 ลิตเวียคยิงเครื่องบินข้าศึกตกสองลำแรกในวันที่ 13 กันยายน สามวันหลังจากเธอมาถึงและในภารกิจที่สามของเธอเพื่อคุ้มครองสตาลินกราด ทำให้เธอกลายเป็นนักบินขับไล่หญิงคนแรกที่ยิงเครื่องบินข้าศึกตก^{[ 18 ]}ในวันนั้น เครื่องบิน Yak-1 จำนวนสี่ลำ โดยมีพันตรี เอส. ดานิลอฟ เป็นผู้นำ ได้โจมตีฝูงบินJunkers Ju 88ที่มีMesserschmitt Bf 109คุ้มกัน^{[ 19 ]}เครื่องบินที่เธอยิงตกได้ลำแรกคือ Ju 88 ซึ่งตกลงมาจากท้องฟ้าเป็นเปลวไฟหลังจากยิงหลายชุด จากนั้นเธอก็ยิง Bf 109 G-2 "Gustav" ตกตามหลังผู้บังคับฝูงบินของเธอ เบลยาเอวา^{[ 19 ] [ 20 ]}เครื่องบิน Bf 109 ถูกขับโดยนักบินผู้ได้รับเหรียญกล้าหาญจากกองบินที่ 4 ซึ่งเป็นนักบินเอซที่มีชัยชนะ 11 ครั้ง^{[ 1 ]}จ่าสิบเอกเออร์วิน ไมเออร์ แห่งกองบินที่ 2 ของJagdgeschwader 53ไมเออร์กระโดดร่มลงจากเครื่องบิน ถูกจับโดยทหารโซเวียต และถูกขอให้พบกับนักบินเอซชาวรัสเซียที่ยิงเขาตก เมื่อเขาถูกนำตัวไปหาลิทวิยัค เขาคิดว่าเขากำลังถูกทำให้เป็นเป้าหมายของเรื่องตลกของโซเวียต จนกระทั่งลิทวิยัคอธิบายการเคลื่อนไหวแต่ละครั้งของการต่อสู้ให้เขาฟังอย่างละเอียด เขาจึงรู้ว่าเขาถูกยิงตกโดยนักบินหญิง^{[ 1 ]}แต่ตามที่ผู้เขียนคนอื่นๆ กล่าวไว้ ชัยชนะทางอากาศครั้งแรกโดยนักบินหญิงเกิดขึ้นโดยร้อยโทวาเลริยา โคมยาโคว่า แห่งกรมที่ 586 เมื่อเธอยิงเครื่องบิน Ju 88 ที่ขับโดยร้อยโทเกอร์ฮาร์ด มาค แห่ง 7./KG76 ในคืนวันที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2485 ^{[ 5 ]}

ในวันที่ 14 กันยายน ตามที่ผู้เขียนบางคนกล่าว ลิตวิยัคยิงเครื่องบิน Bf 109 ตกอีกหนึ่งลำ^{[ 21 ]}คู่ต่อสู้ผู้โชคร้ายของเธอน่าจะเป็น ผู้ได้รับ เหรียญกริชอัศวินและผู้เชี่ยวชาญ ด้านการยิงเครื่องบินข้าศึกตก 71 ลำ ร้อย โทฮันส์ ฟุสส์ (ผู้ช่วยผู้บังคับบัญชาที่ 2/JG-3) ซึ่งได้รับบาดเจ็บจากการต่อสู้ทางอากาศกับเครื่องบิน Yak-1 ในวันที่ 14 กันยายน พ.ศ. 2485 ในพื้นที่สตาลินกราด เมื่อถังเชื้อเพลิง G-2 ของเขาถูกยิง เครื่องบินของเขาพลิกคว่ำระหว่างการลงจอดเมื่อเขาเชื้อเพลิงหมดขณะบินกลับฐาน เขาได้รับบาดเจ็บสาหัส สูญเสียขาข้างหนึ่งและเสียชีวิตจากบาดแผลในวันที่ 10 พฤศจิกายน พ.ศ. 2485 ^{[ 22 ]}ในวันที่ 27 กันยายน ลิตวิยัคได้รับชัยชนะทางอากาศเหนือเครื่องบิน Ju 88 โดยพลปืนยิงใส่ผู้บัญชาการกรม พันตรี เอ็มเอส โคโวสนิคอฟ^{[ 19 ]}อาจเป็น Ju 88A-4 "5K + LH" ซึ่งนักบินคือผู้ได้รับเหรียญกริชเหล็กร้อยโท Johann Wiesniewski, 2./KG 3, สูญหายพร้อมลูกเรือทั้งหมด^{[ 23 ]}นักประวัติศาสตร์บางคนเชื่อว่าเป็นการสังหารครั้งแรกของเธอ^{[ 5 ]}

Litvyak, Belyaeva, Budanova และ Kuznetsova อยู่ในกรมที่ 437 เพียงช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น ส่วนใหญ่เป็นเพราะกรมนี้ติดตั้งเครื่องบินLaGG 3แทนที่จะเป็น Yak-1 ซึ่งเป็นเครื่องบินที่ผู้หญิงทั้งสี่คนใช้บิน และขาดสิ่งอำนวยความสะดวกในการซ่อมบำรุงเครื่องบิน Yak-1 ดังนั้นผู้หญิงทั้งสี่คนจึงถูกย้ายไปกรมนักรบรักษาการณ์ที่ 9ตั้งแต่เดือนตุลาคม พ.ศ. 2485 ถึงมกราคม พ.ศ. 2486 Litvyak และ Budanova ประจำการอยู่ในพื้นที่สตาลินกราดกับหน่วยที่มีชื่อเสียงนี้ ซึ่งบัญชาการโดยLev Shestakovวีรบุรุษแห่งสหภาพโซเวียต^{[ 18 ]}

ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2486 กองบินที่ 9 ได้รับการติดตั้งเครื่องบินBell P-39 Airacobra ใหม่ และ Litvyak กับ Budanova ถูกย้ายไปประจำการที่กรมขับไล่ที่ 296 (ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็นกรมการบินขับไล่รักษาการณ์ที่ 73) ของ Nikolai Baranov แห่งกองทัพอากาศที่ 8เพื่อให้พวกเขายังคงสามารถบินเครื่องบิน Yak ได้^{[ 24 ]}ในวันที่ 23 กุมภาพันธ์ เธอได้รับเครื่องราชอิสริยาภรณ์ดาวแดงได้รับ การแต่งตั้งเป็น ร้อยโทและได้รับเลือกให้เข้าร่วมในยุทธวิธีทางอากาศชั้นยอดที่เรียกว่าokhotnikiหรือ "นักล่าอิสระ" ซึ่งนักบินที่มีประสบการณ์สองคนจะค้นหาเป้าหมายด้วยตนเอง^{[ 25 ]}เธอถูกบังคับให้ลงจอดสองครั้งเนื่องจากความเสียหายจากการรบ ในวันที่ 22 มีนาคม เธอได้รับบาดเจ็บเป็นครั้งแรก^{[ 26 ]}ในวันนั้น เธอได้บินเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มเครื่องบินขับไล่ Yak หกลำเมื่อพวกเขาโจมตีเครื่องบิน Ju 88 จำนวนสิบสองลำ ลิตวิยัคยิงเครื่องบินทิ้งระเบิดตกไปหนึ่งลำ แต่กลับถูกโจมตีและได้รับบาดเจ็บจากเครื่องบินคุ้มกัน Bf 109 เธอสามารถยิงเครื่องบิน Messerschmitt ตกได้หนึ่งลำ และบินกลับไปยังสนามบินของเธอเพื่อลงจอดเครื่องบิน แต่เธอเจ็บปวดอย่างรุนแรงและเสียเลือดมาก^{[ 27 ]}ขณะอยู่ในกรมที่ 73 เธอมักจะบินเป็นคู่หูของกัปตันอเล็กเซย์ โซโลมาติน นักบินมือฉมังที่มีชัยชนะรวม 39 ครั้ง (ร่วมกัน 22 ครั้ง) ในวันที่ 21 พฤษภาคม^{[ 14 ]}ขณะฝึกนักบินใหม่ โซโลมาตินเสียชีวิตต่อหน้ากรมทั้งหมดในปาฟลอนกาเมื่อเขาบินชนพื้น ลิตวิยัคเสียใจอย่างมากกับอุบัติเหตุครั้งนี้และเขียนจดหมายถึงแม่ของเธออธิบายว่าเธอเพิ่งตระหนักหลังจากที่โซโลมาตินเสียชีวิตว่าเธอรักเขา^{[ 25 ]}

จ่าสิบเอกอินนา ปาสปอร์ตนิโควา ช่างเครื่องของลิทวิยัคในช่วงที่เธอบินกับกองทหารชาย รายงานในปี 1990 ว่าหลังจากโซโลมาตินเสียชีวิต ลิทวิยัคไม่ต้องการอะไรนอกจากบินปฏิบัติภารกิจรบ และเธอต่อสู้อย่างสุดกำลัง^{[ 28 ]}

เมื่อวันที่ 31 พฤษภาคม พ.ศ. 2486 Litvyak ยิงเป้าหมายที่ยากลำบากได้สำเร็จ นั่นคือบอลลูนสังเกตการณ์ปืนใหญ่ที่ควบคุมโดยเจ้าหน้าที่ชาวเยอรมัน ปืนใหญ่ของเยอรมันได้รับความช่วยเหลือในการกำหนดเป้าหมายจากรายงานจากจุดสังเกตการณ์บนบอลลูน นักบินโซเวียตคนอื่นๆ เคยพยายามทำลายบอลลูนมาก่อน แต่ทั้งหมดถูกขับไล่ออกไปโดยแนวป้องกันปืนต่อต้านอากาศยานที่หนาแน่นซึ่งปกป้องบอลลูนอยู่ Litvyak อาสาที่จะทำลายบอลลูน แต่ถูกปฏิเสธ เธอจึงยืนกรานและอธิบายแผนการของเธอให้ผู้บังคับบัญชาฟังว่า เธอจะโจมตีจากด้านหลังหลังจากบินเป็นวงกว้างรอบขอบเขตของสนามรบและเหนือดินแดนที่เยอรมันยึดครอง กลยุทธ์นี้ได้ผล บอลลูนที่บรรจุไฮโดรเจนเกิดไฟไหม้ภายใต้กระสุนส่องวิถี ของเธอ และถูกทำลาย^{[ 29 ]}

เมื่อวันที่ 13 มิถุนายน พ.ศ. 2486 Litvyak ได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้บัญชาการฝูงบินที่ 3 ภายในกรมทหารอากาศขับไล่รักษาการณ์ที่ 73 ^{[ 25 ]}

Litvyak สังหารศัตรูเพิ่มอีกหนึ่งลำในวันที่ 16 กรกฎาคม พ.ศ. 2486 ^{[ 30 ] [ 31 ]}ในวันนั้น เครื่องบิน Yak หกลำเผชิญหน้ากับเครื่องบินทิ้งระเบิด Ju 88 ของเยอรมัน 30 ลำพร้อมเครื่องบินคุ้มกันหกลำ นักบินหญิงผู้เก่งกาจยิงเครื่องบินทิ้งระเบิดตกหนึ่งลำและแบ่งปันชัยชนะกับเพื่อนร่วมรบ แต่เครื่องบินรบของเธอถูกยิงและเธอต้องลงจอดฉุกเฉิน [ 31 ] เธอได้รับบาดเจ็บอีกครั้ง แต่ปฏิเสธที่จะลาพักรักษาตัว เธอได้ยิงเครื่องบิน Bf 109 ตกหนึ่งลำใน^{วันที่19}กรกฎาคม พ.ศ. 2486 ซึ่งน่าจะเป็นUffz. Helmuth Schirra นักบินผู้สังหาร 6 ลำ สังกัด 4./JG-3 (สูญหายในพื้นที่ลูฮันสค์) ^{[ 32 ]}การยิงเครื่องบิน Bf 109 ตกอีกหนึ่งลำเกิดขึ้นสองวันต่อมาในวันที่ 21 กรกฎาคม พ.ศ. 2486 ซึ่งอาจเป็น Bf 109G-6 ของLt. Hermann Schuster นักบินผู้เชี่ยวชาญการสังหาร 28 ลำสังกัด 4./JG-3 (เสียชีวิตในหน้าที่ ใกล้เมือง Pervomaysk ในพื้นที่ลูฮันสค์) ^{[ 33 ] [ 31 ]}

ในวันที่ 1 สิงหาคม พ.ศ. 2486 ลิตวิยัคไม่ได้กลับไปยังฐานทัพของเธอที่คราสนี ลุชบนแนวรบมิอุส นี่เป็นการออกบินครั้งที่สี่ของวัน โดยเป็นการคุ้มกันฝูงบิน เครื่องบินโจมตีภาคพื้นดิน Ilyushin Il-2 ขณะที่ฝ่ายโซเวียตกำลังกลับฐานทัพ เครื่องบิน ขับไล่ Bf 109สองลำ^{[ 28 ]}ได้พุ่งเข้าใส่ลิตวิยัคขณะที่เธอกำลังโจมตีกลุ่มเครื่องบินทิ้งระเบิดของเยอรมันจำนวนมาก นักบินโซเวียต อีวาน โบริเซนโก เล่าว่า “ลิลยาไม่เห็นเครื่องบิน Messerschmitt 109 ที่บินคุ้มกันเครื่องบินทิ้งระเบิดของเยอรมัน เครื่องบินสองลำพุ่งเข้าใส่เธอ และเมื่อเธอเห็นพวกมัน เธอก็หันไปเผชิญหน้ากับพวกมัน จากนั้นพวกมันก็หายไปหลังเมฆ” โบริเซนโก ซึ่งมีส่วนร่วมในการต่อสู้ทางอากาศ เห็นเธอเป็นครั้งสุดท้าย ผ่านช่องว่างในเมฆ เครื่องบินYak-1 ของเธอ พ่นควันและถูกไล่ล่าโดยเครื่องบิน Bf 109 มากถึงแปดลำ^{[ 34 ]}

บอริเซนโกจึงลงไปดูว่าเขาสามารถหาเธอเจอหรือไม่ ไม่พบร่มชูชีพ และไม่มีการระเบิด เธอไม่เคยกลับมาจากภารกิจ ลิตวิยัคอายุ 21 ปี เจ้าหน้าที่โซเวียตสงสัยว่าเธออาจถูกจับตัวไป ซึ่งเป็นความเป็นไปได้ที่ทำให้พวกเขาไม่สามารถมอบตำแหน่งวีรบุรุษแห่งสหภาพโซเวียตให้ แก่เธอได้ ^{[ 35 ]}

เชื่อกันว่านักบินชาวเยอรมัน 1 ใน 2 คนเป็นผู้ยิงเครื่องบินของลิทวิยัคตก ได้แก่นักบินฮันส์-ยอร์ก เมอร์เคิล ผู้ถือ เหรียญกางเขนเหล็ก และ ผู้เชี่ยวชาญด้าน การยิงเครื่องบินข้าศึกตก 30 ลำจากฝูงบิน 1./JG.52หรือ นักบิน ฮันส์ ชลีฟ ผู้ถือเหรียญกางเขนอัศวินและ ผู้เชี่ยวชาญด้าน การยิงเครื่องบินข้าศึกตก 99 ลำในอนาคต จากฝูงบิน 7./JG 3เมอร์เคิลเป็นนักบินเพียงคนเดียวที่อ้างว่ายิงเครื่องบิน Yak-1 ตกใกล้เมืองดมิทรีเยฟกาเมื่อวันที่ 1 สิงหาคม 1943 ซึ่งเป็นชัยชนะครั้งที่ 30 ของเขา (ดมิทรีเยฟกาเป็นสถานที่ที่ลิทวิยัคถูกพบเห็นครั้งสุดท้ายและมีรายงานว่าถูกฝังไว้ที่นั่น) เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นก่อนที่เขาจะถูกเครื่องบินของตนเองพุ่งชนและเสียชีวิต (รายงานการรบของกองทัพอากาศเยอรมันเกี่ยวกับการชนกันอยู่ห่าง จาก ดมิทรีเยฟกาไปทางตะวันออก 3 กิโลเมตร) ชลีฟอ้างว่า ยิงเครื่องบิน LaGG-3 ตก (ซึ่งนักบินชาวเยอรมันมักสับสนในการต่อสู้ว่าเป็น Yak-1) ในวันเดียวกัน ในพื้นที่ทางตอนใต้ของยูเครนซึ่งเป็นที่พบเครื่องบินของลิทวิยัคในที่สุด^{[ 36 ] [ 37 ]} 

มีการตีพิมพ์ข้อโต้แย้งที่ขัดแย้งกับเวอร์ชันอย่างเป็นทางการของการเสียชีวิตของลิตวิยัค แม้ว่าเยคาเทรินา วาเลนตินา วาเชนโก ภัณฑารักษ์ของพิพิธภัณฑ์ลิตวิยัคในคราสนี ลุชจะระบุว่าศพถูกขุดขึ้นมาและตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญด้านนิติวิทยาศาสตร์ ซึ่งระบุว่าเป็นลิตวิยัคจริง^{[ 40 ]}คาซิเมียรา จานินา คอตแทม อ้างโดยอาศัยหลักฐานจากเยคาเทรินา โพลูนินา หัวหน้าช่างเครื่องและผู้เก็บเอกสารของกรมทหารราบที่ 586 ซึ่งลิตวิยัคประจำการในตอนแรก ว่าศพไม่เคยถูกขุดขึ้นมา และการตรวจสอบจำกัดอยู่เพียงการเปรียบเทียบรายงานจำนวนหนึ่ง^{[ 41 ]}

Cottam ผู้เขียนและนักวิจัยที่เน้นเรื่องสตรีโซเวียตในกองทัพ สรุปว่า Litvyak ลงจอดฉุกเฉินด้วยท้องเครื่องบินที่เสียหาย ถูกจับและถูกนำตัวไปยังค่ายเชลยศึก^{[ 41 ]}ในหนังสือของเธอที่ตีพิมพ์ในปี 2547 Polunina ได้ระบุหลักฐานที่ทำให้เธอสรุปได้ว่า Litvyak ถูกดึงออกจากเครื่องบินที่ตกโดยทหารเยอรมันและถูกคุมขังไว้ระยะหนึ่ง^{[ 42 ]}

จิอัน ปิเอโร มิลาเน็ตติ ผู้เขียนหนังสือเล่มล่าสุดเกี่ยวกับนักบินหญิงชาวโซเวียต^{[ 43 ]}เขียนว่านักบินหญิงคนหนึ่งกระโดดร่มลงมาในบริเวณใกล้เคียงกับจุดที่เครื่องบินของลิทวิยัคตก ไม่มีนักบินหญิงชาวโซเวียตคนอื่นปฏิบัติการในพื้นที่นั้น ดังนั้นมิลาเน็ตติจึงเชื่อว่านักบินคือลิทวิยัค ซึ่งอาจถูกจับโดยศัตรู อนาโตลี พลยัค นักประวัติศาสตร์การบินชาวรัสเซีย อดีต นายทหารยศพันตรี ของ KGBบอกกับมิลาเน็ตติว่า "ลิทวิยัครอดชีวิตและถูกจับเป็นเชลย..." ^{[ 44 ]}

ในปี 2000 ราสโปโปวา อดีตทหารหญิงจากกองทหารทิ้งระเบิดกลางคืน ได้ชมรายการโทรทัศน์จากสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งมีอดีตนักบินหญิงชาวโซเวียตคนหนึ่งปรากฏตัว ราสโปโปวาคิดว่าเธอน่าจะเป็นลิทวิยัค อดีตทหารหญิงคนนี้ได้รับบาดเจ็บสองครั้ง เธอแต่งงานนอกสหภาพโซเวียตและมีลูกสามคน ราสโปโปวาจึงรีบเล่าสิ่งที่เธอสรุปได้จากการออกอากาศของสวิตเซอร์แลนด์ให้โปลูนินาฟัง^{[ 42 ]}

ไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัดในหมู่นักประวัติศาสตร์เกี่ยวกับจำนวนชัยชนะทางอากาศที่ Litvyak ทำได้ นักประวัติศาสตร์ชาวรัสเซีย Andrey Simonov และ Svetlana Chudinova สามารถยืนยันการยิงเครื่องบินข้าศึกตก 5 ครั้งโดยลำพังและ 3 ครั้งโดยเป็นทีม รวมทั้งการทำลายบอลลูนอากาศ โดยอ้างอิงจากเอกสารจดหมายเหตุ^{[ 2 ]}มีการนับจำนวนอื่นๆ ที่ระบุว่าเป็นของเธอ รวมถึง 11 ครั้งโดยลำพังและ 3 ครั้งโดยร่วมกัน รวมทั้งบอลลูน^{[ 26 ]}รวมถึง 8 ครั้งโดยลำพังและ 4 ครั้งโดยเป็นทีม Anne Noggle ให้เครดิตเธอด้วยการยิงเครื่องบินตก 12 ครั้งโดยลำพังและ 2 ครั้งโดยเป็นทีม^{[ 45 ]} Pasportnikova กล่าวในปี 1990 ว่าจำนวนคือ 11 ครั้งโดยลำพังบวกบอลลูน และอีก 3 ครั้งโดยร่วมกัน^{[ 46 ]} Polunina เขียนว่าจำนวนการสังหารของนักบินโซเวียตที่มีชื่อเสียง รวมถึง Litvyak และ Budanova มักจะถูกกล่าวเกินจริง และ Litvyak ควรได้รับเครดิตด้วยการยิงเครื่องบินตกโดยลำพัง 5 ครั้งและการยิงเครื่องบินตกโดยกลุ่ม 2 ครั้ง รวมทั้งบอลลูนสังเกตการณ์^{[ 42 ]}